姜明勇，陈向宁

(中国人民解放军装备学院，北京　101416)



【信息科学与控制工程】

光寻址液晶光阀输出图像的模拟生成

姜明勇，陈向宁

(中国人民解放军装备学院，北京101416)

研究了光寻址液晶光阀引起图像直方图特性变换的主要因素，包括光电导层的吸收光谱特性和量子效率、光生载流子的光电调制系数、液晶电光调制系数、激光光谱和能量；研究了光寻址液晶光阀引起图像退化的因素，主要包括由光电导层光生载流子横向扩散引起的图像模糊以及由电源噪声、膜层不均匀和激光能量不均匀引起的噪声，建立了光寻址液晶光阀图像的退化模型；提出了光寻址液晶光阀输出图像的仿真方案，通过计算机仿真得到了液晶光阀输出图像，分析了输出图像特性随影响因素的变化规律；结果表明：模拟生成的液晶光阀图像的灰度特性和对比度特性与理论分析一致，说明提出的仿真方案有效。

光寻址液晶光阀；吸收光谱；量子效率；电光调制系数；图像退化模型

光寻址液晶光阀(OALCLV)是一种能直接接收低强度可见光图像并用另一种光源将图像实时输出的图像传感器，是一种常见的光到光的空间光调制器。光寻址液晶光阀能够实现图像的光谱转换、强度转换、相干性转换和光放大，根据这种特性制成了众多光学元件，如图像放大器、波长转换器以及非相干光到相干光的图像转换器等，这些元器件可以应用于图像增强、投影[1]、光学信息处理、光子计算机和机器人视觉等领域[2-3]。

目前的研究工作大都针对光寻址的光电导层[3-5]、吸收层[6]、反射层[5]和液晶特性[7-8]。本文研究了光寻址液晶光阀的图像直方图转换特性和退化模型，并提出了光寻址液晶光阀输出图像仿真方案。

1　光寻址液晶光阀对图像的直方图转换特性

图像的直方图是图像在各灰度值的概率分布，可以直观表示图像的统计特性。引起光寻址液晶光阀直方图变化的因素很多，主要有光电导层吸收光谱和量子效率、载流子对电压信号的光电调制系数、液晶电光调制特性、激光光谱和能量。

光电导层对入射光的吸收能力可以用各光谱段的量子效率描述。量子效率表示光电导层光生载流子的数目与入射到光电导层表面的光子数目之比。以可见光光谱为例，碲化镉(CdTe)对蓝光和绿光的吸收能力较强，钒氧酞菁(VOPc)对红光的吸收能力较强。量子效率曲线与输入图像频谱的匹配越理想，图像传感能力越强，有利于抵抗噪声的影响。其示意图如图1。钒氧酞菁与输入图像频谱匹配度比较理想，因此用钒氧酞菁作光电导层会获得较亮的图像[6]。

图1　碲化镉和钒氧酞菁的量子效率

载流子与电压信号的光电调制系数表示单个载流子引起的电压信号变化值，该系数是常数。理论上，该值越大，输出图像的灰度越大，对比度越高。

液晶的电光调制系数是激光能量随液晶层电压的变化率，也叫液晶对比度。液晶对比度越高，输出图像的灰度越大[9]。

2　光寻址液晶光阀的退化模型

光寻址液晶光阀系统在成像过程中，由于器件和各种噪声的影响，图像出现一定的退化现象，清晰度下降。这种退化现象可以用退化模型定性描述。一般来说，退化过程是模糊函数h(x,y)与加性噪声n(x,y)共同作用在输入图像f(x,y)上产生退化图像g(x,y)的过程[10]。该退化过程可以用下式描述：

(1)

如果模糊函数是线性空间移不变的，则退化图像在空间域可表示为

(2)

式(2)中，“*”表示信号的卷积。

2.1光寻址液晶光阀的模糊特性

液晶光阀输出图像的模糊是由光电导层光生载流子的扩散引起的。当光电导层受到光照时，光电导层表面形成光生载流子，载流子浓度和光照强弱有关。由于外加电场作用和载流子的自由扩散运动，光生载流子会向邻近区域迁移。在光电导层的法线方向(z方向)，由于外加电场的存在，载流子发生自由扩散运动以及由外加电场引起漂移运动，其中，漂移运动处于支配地位。在平行于光电导层方向 (x、y方向)，载流子发生自由扩散运动，没有漂移运动。由于光生载流子浓度有差异，相邻位置之间的横向扩散作用不对等，其结果是光生载流子浓度高的位置载流子浓度降低，反之光生载流子浓度低的位置载流子浓度升高，造成不同位置之间图像灰度的相互影响，图像发生模糊[4]。

根据半导体热物理可知，载流子浓度变化连续方程[4]：

(3)

式中，e(u,t)是t时刻在位置u的载流子浓度，e是电子电量，je(u)是位置u的电流密度，τ是光生载流子的寿命。

在z方向，由于载流子发生漂移和扩散运动，假设电场强度为E，故电流密度je(z)为

(4)

其中D⊥为载流子纵向(z方向)扩散系数，μ⊥为载流子纵向迁移率。将方程(4)代入方程(3)可得：

(5)

由方程(5)可以解得e(z,t):

(6)

在平行于光敏层方向，即x方向和y方向，考虑x方向的载流子浓度e(x,t)。由于没有外电场作用，载流子只有扩散运动，此时的电流密度je(x)为

(7)

式(7)中，D∥为载流子的横向(x和y方向)扩散系数，把式(7)代入式(3)可得：

(8)

式(8)的解为

(9)

光生载流子的扩散长度可表示为

(10)

根据爱因斯坦关系可知，载流子的扩散系数和迁移率存在关系：

(11)

将式(11)代入式(10)可以得到光生载流子扩散长度为

(12)

式中，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，μ∥表示光生载流子横向迁移率，τ为光生载流子的寿命。

把式(9)扩展到二维形式，即可得到载流子在x和y方向的浓度分布为

(13)

同时其扩散区域为

(14)

当t=τ时

(15)

即为光寻址液晶光阀的模糊函数。

2.2光寻址液晶光阀的噪声特性

液晶光阀输出图像中的噪声主要包括电源噪声、膜层噪声和激光场噪声。

电源噪声是一种常见噪声。电压是直接加在液晶光阀两端的，电压的噪声会直接影响光电导层电压，从而影响液晶层内以潜像形式存在的图像信号，因此电源噪声是一种乘性噪声。

膜层噪声是由膜层厚度不均匀引起的。影响膜层厚度的因素主要有制备过程监控方法、膜层厚度监控仪的精度以及制备者的判断误差[5]。在所有膜层中，光电导层不均匀直接导致光生载流子的寿命变化，改变光电导层的模糊特性，使得原本空间移不变的模糊函数变为空间移变的，直接影响输出图像的灰度分布，是一种乘性噪声。

激光场噪声是由激光能量分布不均引起的。这种不均匀性主要是由于激光光源和光路误差引起的。由于图像输出是图像对激光能量的调制，激光噪声直接影响输出图像，因此激光场噪声是一种乘性噪声。

3　光寻址液晶光阀输出图像仿真与分析

根据上述分析，光寻址液晶光阀输出图像仿真需要模拟图像光谱、灰度和对比度的变化以及模糊和噪声造成的图像退化过程。

仿真步骤：参数初始化；根据设定的RGB量子效率和输入图像，计算输入图像的有效灰度值；用模糊函数处理灰度图像，并加入高斯噪声，得到仿真退化图像；根据退化图像和光生载流子的光电调制系数仿真图像引起的电压变化；根据电压变化、液晶层的电光调制系数和激光能量仿真输出图像的灰度；把该灰度图像放在彩色图像三通道中和激光谱段对应的通道中显示，即可得到光寻址液晶光阀输出图像的仿真图像。

以一幅真实图像作为输入图像，该图像是RGB彩色图像。设光电导层对应的量子效率QR=0.05,QG=0.05,QB=0.5。为了仿真方便，载流子对电压的光电调制系数以及液晶电光调制系数，需要作简化处理。由于在仿真中，输入图像和输出图像都是数字图像，信号使用灰度值表示，因此用电压灰度调制系数mP代替光电导层载流子对电压的光电调制系数，该系数是光电导层电压随灰度的变化系数。用灰度电压调制系数mL代替液晶的电光调制系数，该系数是输出图像灰度随液晶层电压变化的变化系数。取mP=5/255，mL=1.5/10。激光采用红色激光，能量用灰度G表示，取G=255。

对于退化模型，噪声用均值为0，归一化方差为0.02的高斯噪声模拟；可由式(15)模糊函数计算得到新的模糊函数。玻耳兹曼常数k=1.380 650 5×10-23，电子电量e=1.602×10-19，在室温25℃时，T=298.15 K。当μ∥=0.002，τ=10-4s时，由式(11)可得D∥=5 139.09，则新模糊函数h(x,y) 为

(16)

其仿真图形如图2所示。

图2　模糊函数仿真图

在上述仿真条件下，光寻址液晶光阀输出图像仿真结果如图3所示，图3(a)为原始图像，图3(b)为仿真输出图像。由于激光是红色的，该图像只在红色波段有灰度变化。输出图像评价指标用平均灰度和平均对比度[11-12]表示，图3(b)中图像评价指标分别为142.927 5和4.406 1，两个数值都是单独使用图3(b)红色通道的灰度图像计算得到。

测试量子效率对输出图像的影响。在初始条件下，分别改变其中一个量子系数，计算输出图像的平均灰度和平均对比度，分别作二者随量子系数的变化曲线，如图4所示。从图4中可以看出，随着量子系数的增大，平均灰度逐渐增大，平均对比度没有明显变化。平均灰度曲线凹凸性是由输入图像中对应波段能量大小决定的。

图3　光寻址液晶光阀输入输出图像

图4　输出图像评价指标与量子效率的变化曲线

测试电压灰度调制系数mP和灰度电压调制系数mL对输出图像的影响。在初始条件下，分别改变mP和mL，分别作平均灰度和平均对比度随mP和mL的变化曲线，如图5所示。从图5中可以看出，两条灰度曲线和两条对比度曲线都分别在0.04和0.23附近发生较大变化，引起这种变化的原因是mP和mL系数增大引起了图像灰度的饱和。

图5　输出图像评价指标随mP和mL的变化曲线

4　结论

通过计算机仿真方法得到了液晶光阀的输出图像，仿真了RGB量子效率、光电导层电压灰度系数、液晶层灰度电压系数、激光能量和退化模型五个因素对输出图像的影响。仿真输出图像的图像光谱、图像灰度和对比度变化和理论分析是一致的，证实了本文所提仿真方案的可行性。

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(责任编辑杨继森)

Simulation of Optics-Addressed Liquid Crystal Light Valve Output Image

JIANG Ming-yong, CHEN Xiang-ning

(Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

The main factors that Optic-Addressed Liquid Crystal Light Valve(OALCLV) affecting image histogram characteristic, including absorption spectrum and quantum efficiency of photoconductor layer, optics-electro modulation coefficient of photo-generated carrier, electro-optics modulation coefficient of liquid crystal, spectrum and energy of laser, were investigated. The main factors causing image degradation, including image blurring caused by photo-generated carrier lateral diffusion of photoconductor and noises caused by power noise, non-uniformity of films and that of laser energy, were investigated. After that, image degradation model of OALCLV was established. Finally, simulation scheme of OALCLV output image was proposed. OALCLV output image was obtained by computer simulation. Changing laws of OALCLV output image under affecting factors were analyzed. It is showed that gray and contrast characteristic of OALCLV simulation output image is consistent with theory analysis and the proposed simulation scheme is available.

optics-addressed liquid crystal light valve; absorption spectrum; quantum efficiency; electro-optics modulation coefficient; image degradation model

2016-04-18；

2016-06-03

装备探索研究项目(7131145)

姜明勇(1984—)，男，博士研究生，主要从事图像处理和光寻址液晶光阀应用研究。

10.11809/scbgxb2016.09.022

format:JIANG Ming-yong, CHEN Xiang-ning.Simulation of Optics-Addressed Liquid Crystal Light Valve Output Image[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):92-95.

TN21

A

2096-2304(2016)09-0092-05

本文引用格式：姜明勇，陈向宁.光寻址液晶光阀输出图像的模拟生成[J].兵器装备工程学报，2016(9):92-95.